摘 要

导热系数是物质导热性能的一个重要参数，通过确定导热系数，可以区分出哪些物质可以作为导热材料，哪些适合作为保温材料，这在化学工业上应用很广泛。材料的热传导行为在热能动力、冶金、化工、电子、建筑等方面受到广泛的关注,常需要能准确地测量出材料的导热系数。然而，导热系数随材料的成分、结构和温度变化很大，用实验方法测定导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径。导热系数的测定，有助于指导实际热处理工作。

本文研制了一套测量固体导热系数的实验装置，与其他装置相比，具有易操作、成本低等优点。利用上述装置采用无限大平板法测量固体材料导热系数。对上述固体导热系数测量装置来说，还有很多条件会影响测量的准确度。比如热对流作用等都会对测量结果产生不同程度的影响。将实验分别在完全绝热和存在热对流的条件下进行模拟实验，通过对比得出热对流作用对实验结果造成的影响，并想办法消除或缩小这部分的误差。

关键词：导热系数；固体材料；误差分析。

Abstract

Thermal conductivity is an important parameter of the thermal conductivity of the material. By determining the thermal conductivity, it is possible to distinguish which substances can be used as thermal materials and which are suitable as insulation materials, which are widely used in the chemical industry. The heat transfer behavior of the material is widely concerned in thermal power, metallurgy, chemical industry, electronics, construction and so on. It is often necessary to accurately measure the thermal conductivity of the material. However, the thermal conductivity varies greatly with the composition, structure and temperature of the material. The thermal conductivity is almost the only way to study the thermal conductivity of the material by experimental method. The determination of the thermal conductivity helps to guide the actual heat treatment.

In this paper, a set of experimental devices for measuring the thermal conductivity of solid is developed, which is easy to operate and low cost compared with other devices. The thermal conductivity of the solid material was measured by the infinite plate method using the above apparatus. There are many conditions that affect the accuracy of the measurement of the solid thermal conductivity measuring device described above. Such as thermal convection, etc. will have a different degree of impact on the measurement results. The experiment was carried out under the condition of complete adiabatic and thermal convection, and the effect of thermal convection on the experimental results was obtained by contrast and the method was used to eliminate or reduce the error of this part.

Key Words: Thermal Conductivity; Solid material; Error Analysis.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的目的和意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.2.1 稳态测量方法 1

1.2.2 非稳态测量方法 2

1.3 研究方法 3

1.4 本文研究内容 4

第2章 导热系数的理论知识 5

2.1 热量传递的方式 5

2.2 导热系数的理论知识 5

2.2.1 导热系数 5

2.2.2 导热系数的影响因素 6

2.3 本章小结 7

第3章 实验原理及实验装置 7

3.1 球体法 8

3.2 无限大平板法 9

3.3 实验装置 11

3.4 本章小结 14

第4章 软件仿真及分析 15

4.1 热对流仿真实验 15

4.2 热对流误差分析及解决办法 19

4.3 数据采集装置精确度对实验结果的影响分析 19

4.4 本章小结 20

第5章 总结和展望 21

5.1 工作总结 21

5.2 工作展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 课题的目的和意义

导热系数是研究物质导热性能的一个重要参数，通过计算材料导热系数的实际值，我们可以确定哪些材料可以作为导热材料，哪些材料可以作为保温材料，这在热能动力、冶金、化学、航空航天、电子以及建筑等领域受到了极大的重视。例如，在我国北方的建筑，就要考虑外层的保温材料的导热系数，从而保证室内的保暖性；航空航天领域中，宇宙飞船在大气层中穿梭时在飞船表面产生大量的热，这时飞船表面需要有一层防火耐高温材料；在电子产品的散热过程中，为了使零部件能够更好地散热，会特别选用铝合金这种导热系数比较高的材料；这些都证明，导热系数的测量对我们的生产生活能起到指导作用^[1]。

对于导热系数的研究一般可以通过两种方法，实验法是第一种方法，理论分析法是第二种方法。很多客观环境因素都会对导热系数的测量产生一定的影响，主要包括材料种类、环境温度、含湿率、孔隙特点、容重大小、热流方向、填充气体、比热容等，所以不同物质的导热系数存在着很大的差异，这也导致理论分析存在着很大的困难^[2]。从理论上看，先要弄清楚待测材料导热的机理，然后对材料导热的物理模型进行分析，最后再通过比较繁琐的数学计算的方法来获得导热系数，截止到现在，除了少数气体、液体、纯金属以外，基本上不可能做到精准的计算出待测材料的导热系数^[3]。所以，对导热系数的研究大多以实验的方式进行，全世界的专家和学者们也做了不同的研究和实验，分析了不同材料在不同条件下的导热系数，以及各种环境条件对导热系数产生的影响，由此我们可以看出，导热系数的确定对我们的生产生活具有一定的指导意义。

1.2 国内外研究进展

目前，测定材料导热系数的方法中，稳态导热测量方法和非稳态导热测量方法是比较明确的两种分类^[4]。

1.2.1 稳态测量方法

稳态测量方法的优点比较多，首先就是测量的原理十分清晰，并且可以直接获得导热系数的绝对值，普遍适用于温度范围比较宽的情况。当然这种方法也存在着缺点，比如说需要比较长的测量时间，方法比较原始，需要比较优越的实验环境，避免外界的干扰。